通信协议（一）—

1、知识点

基础部分参考：UART串口发送模块设计Verilog_发光中请勿扰的博客-CSDN博客_uart设计verilog

（1）什么是串口（UART）？

串口作为常用的三大低速总线（UART、SPI、IIC）之一，在设计众多通信接口和调试时占有重要地位。串口（UART）全称通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，主要用于数据间的串行传递，是一种全双工传输模式。它在发送数据时将并行数据转换成串行数据来传输，在接收数据时将接收到的串行数据转换成并行数据。

“异步”两个字即意味着在数据传递的两个模块之间使用的不是同步时钟。实际上在异步串口的传输中是不需要时钟的，而是通过特定的时序来标志传输的开始（起始位--由高到低）和结束（结束位，拉高）。

（2）串口的组成

UART 通信只有两根信号线，一根是发送数据端口线叫 tx（Transmitter），一根是接收数据端口线叫 rx（Receiver），如图所示，对于 PC 来说它的 tx 要和对于 FPGA来说的 rx 连接，同样 PC 的 rx 要和 FPGA 的 tx 连接，如果是两个 tx 或者两个 rx 连接那数据就不能正常被发送出去和接收到。

信号的传输由外部驱动电路实现。电信号的传输过程有着不同的电平标准和接口规范，针对异步串行通信的接口标准有RS232、RS422、RS485等，它们定义了接口不同的电气特性，如RS-232是单端输入输出，而RS-422/485为差分输入输出等。传输距离较短时（不超过15m），RS232是串行通信最常用的接口标准。RS-232标准的串口最常见的接口类型为DB9，样式如图所示，工业控制领域中用到的工控机一般都配备多个串口，很多老式台式机也都配有串口。但是笔记本电脑以及较新一点的台式机都没有串口，它们一般通过USB转串口线来实现与外部设备的串口通信。

（3）RS232

帧结构（10bit）：

空闲状态保持高电平

UART 在发送或接收过程中的一帧数据由4部分组成，起始位、数据位、奇偶校验位和停止位，如图所示。其中，起始位标志着一帧数据的开始，停止位标志着一帧数据的结束，数据位是一帧数据中的有效数据。

校验位分为奇校验和偶校验，用于检验数据在传输过程中是否出错。奇校验时，发送方应使数据位中1的个数与校验位中1的个数之和为奇数；接收方在接收数据时，对1的个数进行检查，若不为奇数，则说明数据在传输过程中出了差错。同样，偶校验则检查 1的个数是否为偶数。

UART通信过程中的数据格式及传输速率是可设置的，为了正确的通信，收发双方应约定并遵循同样的设置。数据位可选择为5、6、7、8位，其中8位数据位是最常用的，在实际应用中一般都选择8位数据位；校验位可选择奇校验、偶校验或者无校验位；停止位可选择1位（默认）， 1.5或2位。

串口通信的速率用波特率表示，它表示每秒传输二进制数据的位数，单位是bps（位 /秒），常用的波特率有9600、19200、38400、57600以及115200等。如波特率9600则代表每秒传输9600bit数据，以串口发送1个字节10bit算（起始位1bit+数据8bit+停止位1bit+NO校验位），则传输1个字节需要的时间是1*10/9600秒。

2、设计

（1）模块框图

顶层模块：

子功能模块

串口数据接收模块：

串口数据发送模块：

整体框图：

（ 2）功能实现

① 串口数据接收模块：

需要对rx数据进行打一拍，与系统时钟同步，但仍无法直接传送，因为该信号属于异步信号，会引出亚稳态。

亚稳态问题参考：亚稳态问题_发光中请勿扰的博客-CSDN博客

解决方法：对打拍后的数据再次打两拍

波形图：

波形：

data输入

打拍信号

使能信号

计数最大值

bit标志位

该模块支持任意波特率（理论上）的接收，但需要在使用该模块时使用参数将其例化，数据位8位，起始位和停止位各1位，无奇偶校验
        串口的传输是以起始位开始的，而起始位是将数据线拉低，所以我们需要捕捉数据线的下降沿，将接收数据线打拍两次，捕捉其下降沿。当捕捉到接收数据线的下降沿，拉高接收标志信号，标志模块进入接收过程；当接收完10个bit后，拉低接收标志信号，标志接收过程结束
        假设波特率为9600，则传输一个bit的时间为1s/9600，一个数据的传输共10bit(数据位8位，起始位和停止位各1位)，则共需要1s/960；假设系统时钟为50MHz（参数化以便适应不同的系统频率），则其周期为20ns，那么传输一个bit所需要的系统周期数为（1s/960）/ 20ns ≈ 5208（个）。在接收过程中使用一个计数器计数，计数区间为（0，5208-1），这样的区间一共10个（一个字节需要传输10个bit）；此外还需一个计数器对接收的bit数计数（每当上一个计数器计数到5207则表示接收完了一个bit），计数区间（0，9）。
        在接收过程，根据计数器的值（接收bit计数器），在每个bit计数器的中间接收数据，将其移位寄存（在电平中间数据最稳定）
        若接收bit计数器 = 0，则代表是起始位，不需要接收
        若接收bit计数器 = 1，则代表此时接收到数据的最低位LSB（数据的传输总是低位在前，高位在后），将其赋值给寄存数据的最低位；
        ······
        若接收bit计数器 = 8，则代表此时接收到数据的最高位MSB，将其赋值给寄存数据的最高位；
        若接收bit计数器 = 9，则代表是停止位，不需要接收

代码：

module uart_rx
#(parameter uart_bps = 'd9600,//波特率parameter clk_fre  = 'd50_000_000//频率
)
(input sys_clk   ,input sys_rst_n       ,input rx       ,output reg [7:0]po_data    ,output reg po_flag
);parameter baud_cnt_max = clk_fre/uart_bps; //频率除以波特率reg rx_reg1                                      ;
reg rx_reg2                                     ;
reg rx_reg3                                     ;
reg start_flag                                  ;
reg work_en                                     ;
reg [15:0]baud_cnt                              ;
reg bit_flag                                    ;
reg [3:0]bit_cnt                                ;
reg [7:0]rx_data                                ;
reg rx_flag                                     ;//打一拍，同步到系统时钟下
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)if(!sys_rst_n)rx_reg1 <= 1'b1;else rx_reg1 <= rx;//打两拍，消除亚稳态
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)if(!sys_rst_n)rx_reg2 <= 1'b1;else rx_reg2 <= rx_reg1 ;always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)if(!sys_rst_n)rx_reg3 <= 1'b1;else rx_reg3 <= rx_reg2 ;//开始标志信号
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)if(!sys_rst_n)start_flag <= 1'b0;else if (rx_reg2 == 1'b0 && rx_reg3 == 1'b1 && work_en == 1'b0)//引入使能信号是为了避免在数据传输时遇到1变为0，从而检验到下降沿start_flag <= 1'b1;elsestart_flag <= 1'b0;//使能信号
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)if(!sys_rst_n)work_en <= 1'b0;else if(start_flag == 1'b1)work_en <= 1'b1;else if(bit_cnt == 4'd8 && bit_flag == 1'b1)work_en <= 1'b0;//bit计数器和bit标志信号elsework_en <= work_en;//波特率计数器
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)if(!sys_rst_n)baud_cnt <= 16'd0;else if((baud_cnt == baud_cnt_max - 1 )  || (work_en == 1'b0))baud_cnt <= 16'd0;elsebaud_cnt <= baud_cnt + 1'b1;//bit标志信号
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)if(!sys_rst_n)bit_flag <= 1'b0;else if(baud_cnt == baud_cnt_max / 2 - 1)bit_flag <= 1'b1;elsebit_flag <= 1'b0;
//bit计数器
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)if(!sys_rst_n)bit_cnt <= 4'd0;else if(bit_cnt == 4'd8 && bit_flag == 1'b1)bit_cnt <= 4'd0;else if(bit_flag == 1'b1)bit_cnt <= bit_cnt + 1'b1;//数据拼接
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)if(!sys_rst_n)rx_data <= 8'b0;else if(bit_cnt >= 4'd1 && bit_cnt <= 4'd8 && bit_flag == 1'b1)rx_data <= {rx_reg3,rx_data[7:1]};always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)if(!sys_rst_n)rx_flag <= 1'b0;else if(bit_cnt == 4'd8 && bit_flag == 1'b1)rx_flag <= 1'b1;elserx_flag <= 1'b0;
//输出并行信号
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)if(!sys_rst_n)po_data <= 8'b0;else if(rx_flag == 1'b1)po_data <= rx_data;
//对rx_flag进行打拍，保持与输出数据同步
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)if(!sys_rst_n)po_flag <= 1'b0;else po_flag <= rx_flag;endmodule

`timescale 1ns/1ns  //定义时间刻度
//模块、接口定义
module uart_rx_tb();reg             sys_clk         ;
reg             sys_rst_n       ;
reg             rx              ;
wire    [7:0]   po_data         ;
wire            po_flag         ;initial begin  sys_clk <= 1'b0;   sys_rst_n <= 1'b0;rx <= 1'b1;#20sys_rst_n <= 1'b1;end
always #10 sys_clk <= ~sys_clk;initial begin #200rx_bit(8'd0);rx_bit(8'd1);rx_bit(8'd2);rx_bit(8'd3);rx_bit(8'd4);rx_bit(8'd5);rx_bit(8'd6);rx_bit(8'd7);end//例化发送模块
uart_rx
#(.uart_bps (9600),.clk_fre  (50_000_000)
)
uart_rx_inst
(.sys_clk(sys_clk)   ,.sys_rst_n(sys_rst_n),.rx(rx)     ,.po_data(po_data)  ,.po_flag(po_flag)
);task rx_bit (input [7:0] data
);integer i; //定义一个常量//用 for 循环产生一帧数据，for 括号中最后执行的内容只能写 i=i+1for(i=0; i<10; i=i+1) begincase(i)0: rx <= 1'b0;       //起始位1: rx <= data[0];      //LSB2: rx <= data[1];3: rx <= data[2];4: rx <= data[3];5: rx <= data[4];6: rx <= data[5];7: rx <= data[6];8: rx <= data[7];        //MSB9: rx <= 1'b1;        //停止位endcase#(5208*20);         //每发送 1 位数据延时end
endtask                             //任务结束endmodule

②串口数据接收模块

波形图：

波形：

模拟产生输入

输入标志信号

中间变量

输出

module uart_tx
#(parameter uart_bps = 'd9600,parameter clk_fre  = 'd50_000_000
)
(input sys_clk          ,input sys_rst_n                ,input [7:0]pi_data     ,input pi_flag          ,output reg tx
);localparam baud_cnt_max = clk_fre/uart_bps;reg         work_en               ;
reg  [15:0] baud_cnt            ;
reg         bit_flag            ;
reg  [3:0]  bit_cnt             ;//使能信号
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)if(!sys_rst_n)work_en <= 1'b0;else if(pi_flag == 1'b1)work_en <= 1'b1;else if(bit_cnt == 4'd09 &&  bit_flag == 1'b1)  work_en <= 1'b0;
//波特计数器
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)if(!sys_rst_n)baud_cnt <= 16'd0;else if(work_en == 1'b0 || baud_cnt == baud_cnt_max - 1)baud_cnt <= 16'd0;else if(work_en == 1'b1)baud_cnt <= baud_cnt + 1'b1;
//bit标志位
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)if(!sys_rst_n)bit_flag <= 1'b0;else if(baud_cnt == 16'd1)bit_flag <= 1'b1;elsebit_flag <= 1'b0;
//bit计数器
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)if(!sys_rst_n)bit_cnt <= 4'd0;else if(bit_cnt == 4'd09 && bit_flag == 1'b1)bit_cnt <= 4'd0;else if(work_en == 1'b1 && bit_flag == 1'b1)bit_cnt <= bit_cnt + 1'b1;always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)if(!sys_rst_n)tx <= 1'b1;else if(bit_flag == 1'b1)case(bit_cnt)0:tx <= 1'b0;1:tx <= pi_data[0];2:tx <= pi_data[1];3:tx <= pi_data[2];4:tx <= pi_data[3];5:tx <= pi_data[4];6:tx <= pi_data[5];7:tx <= pi_data[6];8:tx <= pi_data[7];9:tx <= 1'b1;default : tx <= 1'b1;endcaseendmodule

`timescale 1ns/1ns  //定义时间刻度
//模块、接口定义
module uart_tx_tb();reg             sys_clk         ;
reg             sys_rst_n       ;
reg [7:0]       pi_data         ;
reg             pi_flag         ;wire           tx      ;initial begin  sys_clk <=1'b0;    sys_rst_n <=1'b0;                  #20                                         sys_rst_n <=1'b1;endalways #10 sys_clk = ~sys_clk;initial beginpi_data <= 8'd0;pi_flag <= 1'b0;#200//数据0pi_data <= 8'd0;pi_flag <= 1'b1;#20pi_flag <= 1'b0;#(5208*10*20)//数据1pi_data <= 8'd1;pi_flag <= 1'b1;#20pi_flag <= 1'b0;#(5208*10*20)//数据2pi_data <= 8'd2;pi_flag <= 1'b1;#20pi_flag <= 1'b0;#(5208*10*20)//数据3pi_data <= 8'd3;pi_flag <= 1'b1;#20pi_flag <= 1'b0;#(5208*10*20)//数据4pi_data <= 8'd4;pi_flag <= 1'b1;#20pi_flag <= 1'b0;#(5208*10*20)//数据5pi_data <= 8'd5;pi_flag <= 1'b1;#20pi_flag <= 1'b0;#(5208*10*20)//数据6pi_data <= 8'd6;pi_flag <= 1'b1;#20pi_flag <= 1'b0;#(5208*10*20)//数据7pi_data <= 8'd7;pi_flag <= 1'b1;#20pi_flag <= 1'b0;end//例化发送模块uart_tx
#(.uart_bps (9600),.clk_fre  (50_000_000)
)
uart_tx_inst
(.sys_clk   (sys_clk)       ,.sys_rst_n (sys_rst_n)     ,.pi_data   (pi_data)       ,.pi_flag   (pi_flag)       ,.tx            (tx)
);endmodule

③顶层模块：

波形：

rx数据接收（第一个拉高为数据得停止位）

task验证

数据传递

//顶层
module rs232
(
//系统接口input                 sys_clk         ,           //50M系统时钟input              sys_rst_n       ,           //系统复位
//UART  input               rx,         //接收数据线output           tx                  //UART发送数据线
);//wire define
wire    [7:0]   rx_data ;                       //接收到的一个BYTE数据
wire            rx_flag ;                       //接收有效信号，可用作发送的使能信号//例化发送模块
uart_tx
#(.uart_bps (9600),.clk_fre  (50_000_000)
)
uart_tx_inst
(.sys_clk   (sys_clk)       ,.sys_rst_n (sys_rst_n)     ,.pi_data   (rx_data)       ,.pi_flag   (rx_flag)       ,.tx            (tx)
);
//例化接收模块
uart_rx
#(.uart_bps (9600),.clk_fre  (50_000_000)
)
uart_rx_inst
(.sys_clk(sys_clk)          ,.sys_rst_n(sys_rst_n)  ,.rx(rx)                    ,.po_data(rx_data)      ,.po_flag(rx_flag)
);
endmodule

`timescale 1ns/1ns  //定义时间刻度
module rs232_tb();reg           sys_clk         ;
reg             sys_rst_n       ;
reg             rx              ;
wire            tx              ;initialbeginsys_clk <= 1'b0;  sys_rst_n <= 1'b0;rx <= 1'b1;#20sys_rst_n <= 1'b1;end
always #10 sys_clk <= ~sys_clk;initial begin#200rx_byte();  endtask rx_byte();integer j; //定义一个常量for(j=0; j<8; j = j +1) rx_bit(j);
endtasktask rx_bit (input [7:0] data
);integer i; //定义一个常量//用 for 循环产生一帧数据，for 括号中最后执行的内容只能写 i=i+1for(i=0; i<10; i=i+1) begincase(i)0: rx <= 1'b0;       //起始位1: rx <= data[0];      //LSB2: rx <= data[1];3: rx <= data[2];4: rx <= data[3];5: rx <= data[4];6: rx <= data[5];7: rx <= data[6];8: rx <= data[7];        //MSB9: rx <= 1'b1;        //停止位endcase#(5208*20);         //每发送 1 位数据延时end
endtask                             //任务结束rs232 rs232_inst
(
//系统接口.sys_clk(sys_clk)         ,           //50M系统时钟.sys_rst_n(sys_rst_n)      ,           //系统复位
//UART  .rx(rx)             ,           //接收数据线.tx(tx)                  //UART发送数据线
);endmodule